碳纤维回收装置的制作方法

本实用新型有关于一种碳纤维的回收装置，尤其是指运用微波而从碳纤维高分子复合材料中回收碳纤维的碳纤维回收装置。

背景技术：

按，今日碳纤维高分子复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP)被广泛应用于航天飞机、高尔夫球杆、网球拍、汽车、风力发电，以及医疗器械等工业领域，此乃因为碳纤维高分子复合材料具有的高强度、高弹性模量，以及优异的耐热性与抗腐蚀性所致；在生产制造阶段所产生的边角料或是使用寿命结束时的报废产品的碳纤维高分子复合材料等废弃料都存在处理的问题，其中碳纤维高分子复合材料使用燃烧的方式只能烧去树脂，碳纤维仍然作为残渣残留，故碳纤维高分子复合材料的废弃物通常做为不可燃固体废物并透过填埋方式处理，而填埋方式既造成土地资源的浪费，亦会造成周边环境的恶化，此外，碳纤维高分子复合材料内部含有高价值的碳纤维，使用填埋方式无疑会碳纤维资源的巨大浪费。

现行技术中已有许多方法用以解决上述的问题，主要对碳纤维高分子复合材料中的高分子进行分解，使其中的碳纤维被分离出来而达到碳纤维回收的目的，其中高分子分解的方法主要包括有热分解、无机强酸分解、有机溶剂分解，以及超临界流体分解等；虽然有机溶剂分解后可得到干净的碳纤维，但是回收过程中必须使用大量的有机溶剂，将会对环境造成污染，且使用后的溶剂分离操作过程复杂，导致回收成本较高；超临界流体处理方法虽然具有清洁无污染的特点，但是必须在高温高压的反应条件下进行，对反应设备的要求较高，且降解后的产物与流体混合在一起而不易分离。

现行技术中最具有工业化可行性的即是以热分解处理废弃的碳纤维高分子复合材料，热分解方法为将废弃的碳纤维高分子复合材料置于热空气中分解，此方法对于处理掺杂有金属等异质碳纤维高分子复合材料效果较好，并且能够连续操作，但是反应得到的碳纤维因氧化反应严重，且因在反应器或分离器中强烈撞击，而使力学性能不足；因此，如何有效借由创新的硬体设计，以达到可回收所有角度设置的高纯度与高性能的碳纤维，以及大幅降低能量输入、能节省时间和人力成本等主要优势，仍是碳纤维回收等相关产业开发业者与相关研究人员需持续努力克服与解决的课题。

技术实现要素：

本实用新型所解决的技术问题即在提供一种碳纤维回收装置，主要借由微波辐射于碳纤维高分子复合材料中的碳纤维，使碳纤维能够快速吸收微波能量达到温度急遽上升的目的，有效快速裂解并去除大部分碳纤维高分子复合材料的高分子基材，确实达到回收碳纤维目的。

本实用新型所采用的技术手段如下所述。为了达到上述的实施目的，本实用新型人提出一种碳纤维回收装置，适用于从一碳纤维高分子复合材料中回收一第一碳纤维，该碳纤维高分子复合材料包含一高分子基材及该第一碳纤维，该高分子基材与该第一碳纤维结合，该第一碳纤维包括有一第一碳纤维长轴方向，该碳纤维回收装置至少包括有：一第一微波供给单元及一腔体；其中，该第一微波供给单元能够生成一第一微波，该第一微波具有一第一微波方向，该第一微波传递至该腔体的内部；该第一微波包括一第一电场，该第一电场于该腔体的内部具有一第一电场方向，该第一微波方向与该第一电场方向彼此互相垂直；该第一碳纤维长轴方向与该第一微波方向呈垂直，或该第一碳纤维长轴方向与该第一电场方向呈平行。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该第一碳纤维长轴方向与该第一电场方向呈平行。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体具有一腔体长轴方向，该腔体长轴方向、该第一电场方向及该第一碳纤维长轴方向呈平行。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该第一碳纤维长轴方向与该第一电场方向呈垂直。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体的内部开设有一容置空间，该腔体设置有一中空管体于该容置空间，该中空管体的内部中空部分开设有一管体容置空间，该碳纤维高分子复合材料能够放置于该管体容置空间。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该中空管体由微波可穿透的材质所制备而成。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该中空管体为石英管、水晶管或玻璃管。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体为一金属腔体。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该第一微波供给单元包括有一第一微波源及一第一导波管，该第一导波管的一端与该第一微波源连结，该第一导波管的另一端与该腔体连结。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该碳纤维回收装置包含一冷凝装置，该腔体与该冷凝装置相连通。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该碳纤维回收装置包含一第二微波供给单元，该第二微波供给单元能够生成一第二微波，该第二微波传递至该腔体的内部；该第二微波包括一第二电场，该第二电场具有一第二电场方向，该第二电场方向与该第一电场方向呈垂直。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体具有一腔体长轴方向，该第一微波供给单元及该第二微波供给单元沿着该腔体长轴方向而依次排列。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体具有该腔体长轴方向，该第一电场方向与该腔体长轴方向呈一倾斜角。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体为中空圆柱体。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体呈一中空多角柱体。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体具有该腔体长轴方向，该中空多角柱体的外周围由复数个外表面所构成，该第一微波供给单元及该第二微波供给单元沿着该腔体长轴方向而依次排列于该中空多角柱体的其中一个该外表面。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体具有该腔体长轴方向，该中空多角柱体的外周围由复数个该外表面所构成，复数个该外表面其中两个该外表面分别为一第一外表面及一第二外表面，该第一外表面及该第二外表面各具有一个该第一微波供给单元及一个该第二微波供给单元，且该第一微波供给单元及该第二微波供给单元沿着该腔体长轴方向而依次排列；其中，该第一外表面的该第一微波供给单元与该第二外表面的该第一微波供给单元不在同一高度，且该第一外表面的该第二微波供给单元与该第二外表面的该第二微波供给单元不在同一高度。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该腔体具有该腔体长轴方向，该中空多角柱体的外周围由复数个该外表面所构成，复数个该外表面其中两个该外表面分别为该第一外表面及该第二外表面，该第一外表面及该第二外表面各具有一个该第一微波供给单元及一个该第二微波供给单元，且该第一微波供给单元及该第二微波供给单元沿着该腔体长轴方向而依次排列；其中，该第一外表面的该第一微波供给单元与该第二外表面的该第二微波供给单元在同一高度，且该第一外表面的该第二微波供给单元与该第二外表面的该第一微波供给单元在同一高度。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该中空多角柱体的外周围由复数个该外表面所构成，复数个该外表面中的每一个该外表面各具有一个该第一微波供给单元及一个该第二微波供给单元，且任意两个相邻的该外表面的其中一个该外表面的该第一微波供给单元与另一个该外表面的该第一微波供给单元彼此不在同一高度。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该中空多角柱体的外周围由复数个该外表面所构成，复数个该外表面中的每一个该外表面各具有一个该第一微波供给单元及一个该第二微波供给单元，且任意两个相邻的外表面的其中一个该外表面的该第一微波供给单元与另一个该外表面的该第二微波供给单元在同一高度。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该中空多角柱体的外周围由复数个外表面所构成，复数个该外表面其中两个该外表面分别为该第一外表面及该第二外表面，该第一外表面及该第二外表面彼此相邻；该中空多角柱体的内周围由复数个内表面所构成，复数个该内表面中具有与该第一外表面相对应的一第一内表面，复数个该内表面中具有与该第二外表面相对应的一第二内表面；该第一外表面及该第二外表面相夹呈一夹角，或者该第一内表面及该第二内表面相夹呈该夹角；该夹角的角度介于60度至160度之间。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该夹角的角度介于90度至150度之间。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该夹角的角度介于120度至144度之间。

如上所述的碳纤维回收装置，其中该夹角的角度为120度。

本实用新型所产生的技术效果：主要借由微波辐射于碳纤维高分子复合材料中的碳纤维，使碳纤维能够快速吸收微波能量达到温度急遽上升的目的，有效快速裂解并去除大部分碳纤维高分子复合材料的高分子基材，确实达到回收碳纤维目的。

附图说明

图1：本实用新型碳纤维回收装置第一实施例的整体装置示意图。

图2：本实用新型碳纤维回收装置第一实施例的微波供给单元与腔体设置剖面图。

图3：本实用新型碳纤维回收装置第一实施例的微波供给单元与腔体设置立体示意图。

图4：本实用新型碳纤维回收装置第一实施例的微波行进方向示意图。

图5：本实用新型碳纤维回收装置第二实施例的微波供给单元与腔体设置立体示意图。

图6：本实用新型碳纤维回收装置第二实施例的微波行进方向示意图。

图7：本实用新型碳纤维回收装置第三实施例的微波供给单元与腔体设置立体示意图。

图8：本实用新型碳纤维回收装置第三实施例的微波行进方向示意图。

图9：本实用新型碳纤维回收装置第四实施例的微波供给单元与腔体设置立体示意图。

图10：本实用新型碳纤维回收装置第四实施例的微波行进方向示意图。

图11：本实用新型碳纤维回收装置第五实施例的微波供给单元与腔体设置立体示意图。

图12：本实用新型碳纤维回收装置第六实施例的微波供给单元与腔体设置立体示意图。

图号说明：

1 碳纤维回收装置

11 第一微波供给单元

111 第一微波源

112 第一导波管

12 腔体

121 第一侧壁孔洞

122 第二侧壁孔洞

13 第二微波供给单元

131 第二微波源

132 第二导波管

2 碳纤维高分子复合材料

21 第一碳纤维

22 第二碳纤维

24 高分子基材

3 冷凝装置

E1 第一电场

E11 第一电场方向

E2 第二电场

E21 第二电场方向

F1 第一磁场

F11 第一磁场方向

F2 第二磁场

F21 第二磁场方向

H 外表面

H1 第一外表面

H2 第二外表面

M1 第一微波

M11 第一微波方向

M2 第二微波

M21 第二微波方向

S 容置空间

S1 管体容置空间

X 第一碳纤维长轴方向

XA 腔体长轴方向

Y 第二碳纤维长轴方向

θ1 倾斜角

θ2 夹角。

具体实施方式

首先，请参阅图1至图4所示，本实用新型第一实施例的碳纤维回收装置1适用于从一碳纤维高分子复合材料2中回收一第一碳纤维21，该碳纤维高分子复合材料2包含一高分子基材24 (polymer matrix)及该第一碳纤维21，该高分子基材24与该第一碳纤维21结合，该第一碳纤维21包括有一第一碳纤维长轴方向X，该第一碳纤维长轴方向X为该第一碳纤维21的延伸方向。较佳地，该高分子基材24包覆该第一碳纤维21并与该第一碳纤维21结合。较佳地，该碳纤维高分子复合材料2包含该高分子基材24及复数个该第一碳纤维21，复数个该第一碳纤维21依循该第一碳纤维长轴方向X呈平行排列。该高分子基材24可以为热固性树脂、室温硬化树脂或热塑性塑料，热固性树脂例如为不饱和聚酯(Unsaturated Polyester Resin)和环氧树脂(Epoxy Resin)。

本实用新型的碳纤维回收装置1至少包括有：一第一微波供给单元11及一腔体12；其中，该第一微波供给单元11包括有一第一微波源111及一第一导波管112，该第一导波管112的一端与该第一微波源111连结，该第一导波管112的另一端与该腔体12连结。该第一微波供给单元11能够生成一第一微波M1，于实施时该第一微波源111能够生成该第一微波M1，该第一微波M1经由该第一导波管112从该第一微波源111传递至该腔体12的内部。该第一微波M1包括一第一电场E1及一第一磁场F1；该第一微波M1以一第一微波方向M11进入并朝向该腔体12的内部，该第一电场E1于该腔体12的内部具有一第一电场方向E11，该第一磁场F1于该腔体12的内部具有一第一磁场方向F11。依据弗莱明右手定律(Fleming’s Right-hand rule)及如图4所示，该第一微波方向M11、该第一电场方向E11及该第一磁场方向F11彼此互相垂直。

该腔体12的内部开设有一容置空间S，该碳纤维高分子复合材料2放置于该容置空间S。且该腔体12设置有一第一侧壁孔洞121供前述该第一导波管112的另一端连接，以传递该第一微波M1至该容置空间S。该腔体12由可反射微波的材质所制备而成，例如该腔体12由金属材质所制备而成的一金属腔体且该腔体12可呈密闭态样，借由金属反射该第一微波M1使该第一微波M1于该容置空间S震荡而均匀地充满该腔体12；再者，借由金属反射该第一微波M1并可防护位于该腔体12外部的操作者及其他设备。该腔体12的形状并无限制，例如该腔体12为中空圆柱体或中空多角柱体等其中的一种态样，该腔体12具有一腔体长轴方向XA，该腔体长轴方向XA即为该腔体12的延伸方向，如图4所示，该腔体长轴方向XA即为中空圆柱体的延伸方向。

于实施时，将该碳纤维高分子复合材料2放置于该容置空间S，接着启动该第一微波源111以产生该第一微波M1，该第一微波M1经由该第一导波管112及该第一侧壁孔洞121传递至该容置空间S。以该第一微波M1辐照该碳纤维高分子复合材料2，使该碳纤维高分子复合材料2中的该第一碳纤维21能够吸收该第一微波M1的能量而使得该第一碳纤维21的温度上升并发热，造成与该第一碳纤维21接触的部分该高分子基材24因受热而裂解为复数个有机小分子，而其余部分的该高分子基材24也会因热传效应而受热并且导致裂解为该有机小分子。

特别的发现是，于摆放该碳纤维高分子复合材料2时，如果使得该第一碳纤维21的该第一碳纤维长轴方向X与该第一微波方向M11呈平行时，该第一碳纤维21对该第一微波M1的能量的吸收效果不佳，该第一碳纤维21的温度并无上升，该高分子基材24无法裂解为该有机小分子；如果使得该第一碳纤维21的该第一碳纤维长轴方向X与该第一微波方向M11呈垂直时，该第一碳纤维21对该第一微波M1的能量的吸收效果良好，该第一碳纤维21的温度明显上升，该高分子基材24会被裂解为该有机小分子。

更进一步地发现是，除了该第一碳纤维长轴方向X与该第一微波方向M11呈垂直，如果进一步地使得该第一碳纤维21的该第一碳纤维长轴方向X与该第一电场方向E11呈垂直时，该第一碳纤维21对该第一电场E1的能量的吸收效果不佳，该第一碳纤维21的温度并无明显上升，该高分子基材24无法裂解为该有机小分子；如果使得该第一碳纤维21的该第一碳纤维长轴方向X与该第一电场方向E11呈平行时，该第一碳纤维21对该第一电场E1的能量的吸收效果显著，该第一碳纤维21的温度显著上升，该高分子基材24快速且大量裂解为该有机小分子。

前述中，该腔体长轴方向XA、该第一电场方向E11及该第一碳纤维长轴方向X呈平行态样，且该腔体长轴方向XA与该第一微波方向M11呈垂直，该第一碳纤维长轴方向X与该第一微波方向M11呈垂直。

前述该有机小分子以抽气方式从该腔体12的该容置空间S被传送至一冷凝装置3，该有机小分子被该冷凝装置3冷凝捕捉，以避免该有机小分子直接被排放至空气中而造成污染。

于没额外加热该腔体12的实施态样下，该有机小分子易凝集于该腔体12的壁面，这会造成壁面被污染不易清洗。因此，该腔体12可进一步设置有一中空管体122于该容置空间S，该中空管体122的内部中空部分开设有一管体容置空间S1，而该碳纤维高分子复合材料2放置于该管体容置空间S1，其中该中空管体122由微波可穿透的材质所制备而成，该中空管体122为石英管、水晶管或玻璃管。借以，该有机小分子凝集于该中空管体122的管壁，例如石英管的管壁，于清洗石英管的管壁时相对比清洗该腔体12的管壁更为容易且快速。甚至，可将单次操作后的该中空管体122直接以另一干净的该中空管体122替换，以加快制程速度。

上述第一实施例尤其适用于经向排列的复数个该第一碳纤维21与该高分子基材24所构成的该碳纤维高分子复合材料2，例如依经向彼此平行排列的复数个该第一碳纤维21与该高分子基材24所构成的呈织带状的该碳纤维高分子复合材料2，所述经向为该第一碳纤维长轴方向X。

请一并参阅图5与图6所示，为本实用新型第二实施例，该碳纤维回收装置1于前述第一实施例的基础上更包含一第二微波供给单元13，该第二微波供给单元13由一第二微波源131与一第二导波管132所组合而成。与该第一微波供给单元11类似地，该第二导波管132的一端与该第二微波源131连结，该第二导波管132的另一端与该腔体12的一第二侧壁孔洞122连结。该第二微波源131能够生成一第二微波M2，该第二微波M2经由该第二导波管132从该第二微波源131传递至该腔体12的该第二侧壁孔洞122及该容置空间S。该第二微波M2包括一第二电场E2及一第二磁场F2；该第二微波M2以一第二微波方向M21进入并朝向该腔体12的内部(该容置空间S)，该第二电场E2于该腔体12的该容置空间S具有一第二电场方向E21，该第二磁场F2于该腔体12的该容置空间S具有一第二磁场方向F21。如图6所示，该第二微波方向M21、该第二电场方向E21及该第二磁场方向F21彼此互相垂直。

基于前述第一实施例的基础上，本第二实施例中，该碳纤维高分子复合材料2更包含一第二碳纤维22，该第二碳纤维22包括有一第二碳纤维长轴方向Y，该第二碳纤维长轴方向Y为该第二碳纤维22的延伸方向。较佳地，该高分子基材24包覆该第二碳纤维22并与该第二碳纤维22结合。较佳地，该碳纤维高分子复合材料2包含该高分子基材24及复数个该第二碳纤维22，复数个该第二碳纤维22依循该第二碳纤维长轴方向Y呈平行排列。

与第一实施例类似地，于本第二实施例中不再赘述，该第二碳纤维22的该第二碳纤维长轴方向Y与该第二微波方向M21呈垂直，该第二碳纤维22的该第二碳纤维长轴方向Y与该第二电场方向E21呈平行。

该腔体长轴方向XA与该第二电场方向E21呈垂直，以及该腔体长轴方向XA与该第二碳纤维长轴方向Y呈垂直且该腔体长轴方向XA与该第二微波方向M21呈垂直。

该第二电场方向E21与该第一电场方向E11呈垂直。

上述第二实施例尤其适用于纬向排列的复数个该第二碳纤维22与该高分子基材24所构成的该碳纤维高分子复合材料2，例如依纬向彼此平行排列的复数个该第二碳纤维22与该高分子基材24所构成的呈织带状的该碳纤维高分子复合材料2，所述纬向为该第二碳纤维长轴方向Y。

请一并参阅图7与图8所示，为本实用新型第三实施例。与第一实施例及第二实施例类似地，于本第三实施例中不再赘述，该碳纤维回收装置1同时包含该第一微波供给单元11及该第二微波供给单元13。较佳地，该第一微波供给单元11及该第二微波供给单元13沿着该腔体长轴方向XA而依次排列。上述第三实施例尤其适用于同时具有经向及纬向编织的复数个该第一碳纤维21、复数个该第二碳纤维22与该高分子基材24所构成的该碳纤维高分子复合材料2，例如依经向及纬向彼此交错编织的复数个该第一碳纤维21、复数个该第二碳纤维22与该高分子基材24所构成的呈织物状的该碳纤维高分子复合材料2。

请再一并参阅图9与图10所示，为本实用新型第四实施例。第四实施例调整第一实施例中的该第一微波供给单元11，使该第一电场方向E11与该腔体长轴方向XA相夹呈一倾斜角θ1，该倾斜角θ1的角度大于0度且小于或等于90度。第四实施例尤其适用于将该碳纤维高分子复合材料2放置于该腔体12的内部时，该第一碳纤维21的该第一碳纤维长轴方向X与该腔体长轴方向XA相夹呈该倾斜角θ1的实施态样。换言之，该第一微波供给单元11可调整该第一微波M1，使该第一电场方向E11与该腔体长轴方向XA的角度依需求而改变。例如，当该碳纤维高分子复合材料2放置于该腔体12的内部时，先量测或侦测出该第一碳纤维长轴方向X与该腔体长轴方向XA的该倾斜角θ1的相夹角度，接着调整该第一微波供给单元11的该第一微波M1，使该第一电场方向E11与该腔体长轴方向XA的角度与该倾斜角θ1的相夹角度相同，以使得该第一电场方向E11与该第一碳纤维长轴方向X呈平行。因此当该碳纤维高分子复合材料2放置于该腔体12的内部时，并不需要事先将该第一碳纤维长轴方向X对准该腔体长轴方向XA，而仅需要依上述方式即可调整该第一微波供给单元11，使得该第一电场方向E11与该第一碳纤维长轴方向X呈平行，增进了该碳纤维高分子复合材料2摆放于该腔体12的内部时的便利性。

类似地，该第二微波供给单元13可调整该第二微波M2，使该第二电场方向E21与该腔体长轴方向XA的相夹角度依需求而改变，由于运作机制与原理与前述第四实施例类似，因此不再赘述。

请再参阅图11所示，为本实用新型第五实施例。第五实施例与第三实施例的差别仅在于第五实施例的该腔体12呈一中空多角柱体，该中空多角柱体的外周围由复数个外表面H所构成，该第一微波供给单元11及该第二微波供给单元13沿着该腔体长轴方向XA而依次排列于该中空多角柱体的其中一个该外表面H。该中空多角柱体可以为中空三角柱体、中空四角柱体、中空五角柱体、中空六角柱体、中空七角柱体、中空八角柱体、中空九角柱体、中空十角柱体、中空十一角柱体、中空十二角柱体、中空十三角柱体、中空十四角柱体、中空十五角柱体、中空十六角柱体、中空十七角柱体、中空十八角柱体或其他的中空多角柱体。

请再参阅图12所示，为本实用新型第六实施例。第六实施例与第五实施例的差别仅在于第六实施例的复数个该外表面H其中两个该外表面H分别为一第一外表面H1及一第二外表面H2，该第一外表面H1及该第二外表面H2各具有一个该第一微波供给单元11及一个该第二微波供给单元13，且该第一微波供给单元11及该第二微波供给单元13沿着该腔体长轴方向XA而依次排列；其中，该第一外表面H1的该第一微波供给单元11与该第二外表面H2的该第一微波供给单元11不在同一高度，且该第一外表面H1的该第二微波供给单元13与该第二外表面H2的该第二微波供给单元13不在同一高度；该第一外表面H1的该第一微波供给单元11与该第二外表面H2的该第二微波供给单元13在同一高度，且该第一外表面H1的该第二微波供给单元13与该第二外表面H2的该第一微波供给单元11在同一高度。较佳地，该第一外表面H1及该第二外表面H2彼此相邻。

该第一外表面H1及该第二外表面H2相夹呈一夹角θ2；或者，该中空多角柱体的内周围由复数个内表面所构成，复数个该内表面中具有与该第一外表面H1相对应的一第一内表面(图未绘出)，复数个该内表面中具有与该第二外表面H2相对应的一第二内表面(图未绘出)，该第一内表面及该第二内表面相夹呈该夹角θ2。该夹角θ2的角度介于60度至160度之间；较佳地，该夹角θ2的角度介于90度至150度之间；更佳地，该夹角θ2的角度介于120度至144度之间；最佳地，该夹角θ2的角度为120度。需特别说明的是，本说明书内容及专利范围所述的数值范围的限定总是包括端值。

当然，本实用新型亦可于复数个该外表面H中的每一个该外表面H各具有一个该第一微波供给单元11及一个该第二微波供给单元13，且任意两个相邻的该外表面H的其中一个该外表面H的该第一微波供给单元11与另一个该外表面H的该第一微波供给单元11彼此不在同一高度，任意两个相邻的外表面H的其中一个该外表面H的该第一微波供给单元11与另一个该外表面H的该第二微波供给单元13在同一高度。